从“化学无序”发展而来的新型材料

• 2023-08-06 09:59:55 来源：科普时报

(资料图片仅供参考)

近日，以武汉大学为第一署名单位的《液态金属用于高熵合金纳米颗粒的合成》一文在国际著名学术期刊《自然》杂志发表。付磊研究团队以“混合焓”为切入点，降低吉布斯自由能变，采用流动性液态金属，实现了温和条件下各类高熵合金体系的原子制造，极大拓展了高熵合金的组分选择空间，有望促进其在更多关键领域应用。

说起合金，可能有人听说过，至于高熵合金，听说过的人就会更少。那么，什么是高熵合金？

在化学中，熵是热力学的一个概念，最早由德国物理学家克劳修斯提出。随着信息理论、统计物理学的发展，科学家们了解到熵的本质其实是一个系统的“内在混乱程度”，而高熵指的就是系统高混乱和无序状态。

要想知道高熵合金的来历，我们就要先从合金说起。合金在日常生活中用得较多，如铝合金、钢铁。钢铁是以铁为基础，加入微量的碳等非金属元素，就得到了以铁为主的合金。这在公元前我们的祖先就已知晓，从青铜器中可见一斑：在铜中加入少量的锡，就能得到青铜；铝中加入少量的镁与硅，就能得到铝合金。但是，从以往的经验来看，合金中加入的金属种类越多，越有可能导致其材质脆化。因此，合金成分一般只有一两种。随着人类探索世界和外太空的脚步，传统的合金材料也逐渐受到限制，因此需要更为苛刻条件下性能优异的合金。

2004年，“高熵合金之父”叶均蔚发表研究成果，制备出高熵合金，从而验证了他的设想：将足够多的元素等比例混合在一起，最终得到混合合金无序度过高，或许能阻碍那些导致合金脆化团簇的形成。至此，高熵合金逐渐走进科学家的视野，打破了人们对合金固有的印象。

作为一类基于“化学无序”发展而来的新型材料，高熵合金以多种组分混合的方式制成，进而在性能上表现出更高的稳定性，还具有超导性和磁性，有望在电力、医疗、通讯等领域得到应用。

高熵合金在化学上表现出来的抗高温氧化性，可以将其镀在金属外层来保护金属。目前，所知的抗高温氧化材料，如镍基合金，在航空航天领域广泛应用，但镍基合金价格昂贵，而高熵合金因其特殊的结构和性能被称为 “下一代抗高温氧化性材料的最佳替代品”。

氢能是最清洁的能源，可从电解水过程中获得，但是电解水成本很高，高效的析氢催化剂的合成是提高水电解制氢的关键。过渡金属高熵合金有望在未来的制氢领域发挥更大的作用。

虽然高熵合金在目前应用还不广泛，但随着科技的发展，材料的性能会更加优异，也将成为我们探索外太空等极端环境的得力助手。

（第一作者系西北师范大学教授、博士生导师，第二作者系西北师范大学硕士研究生）

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